TBM隧道下穿立交橋力學(xué)機理分析

（中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南 250101）

0 引言

隨著我國城市化進程加快，現(xiàn)有的地面城市交通已經(jīng)不能滿足經(jīng)濟發(fā)展的需要，地鐵交通應(yīng)運而生。地鐵隧道修建不可避免會才穿市政結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生安全隱患。地鐵隧道下穿城市立交橋和暗渠一般根據(jù)其位置關(guān)系可以劃分為下穿和側(cè)穿這兩種類型，控制好下穿既有構(gòu)筑物的工程風(fēng)險也成為了地鐵交通建設(shè)的工程風(fēng)險控制的難點。本文采用數(shù)值模擬的方法進行力學(xué)機理分析，數(shù)值計算方法是分析TBM 隧道下穿橋梁和暗渠的一個重要手段，周群立[1]以合肥地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿五里墩立交橋為工程背景，提出了適合本工程盾構(gòu)施工時的地層損失率控制指標(biāo)、橋梁基礎(chǔ)差異沉降控制指標(biāo)；奚正平[2]運用實際下穿工程案例,證明了可以采取一定的加固措施來控制下穿構(gòu)筑物而造成的沉降。楊貴永等[3]、薛暉等[4]對區(qū)間隧道下穿高速橋進行有限元分析。

1 線路設(shè)計概況

青島地鐵4 號線海泊橋站～鞍山路站區(qū)間采用左、右分修的兩條并行的單線隧道，洞身范圍主要處于中、微風(fēng)化地層中。海泊橋站～鞍山路站區(qū)間全長為596.108m。區(qū)間左、右線隧道平畫曲線半徑最小為400m，左右線線間距13.00m～17.97m。區(qū)間隧道最大線路縱坡為28%，為單向坡隧道。始發(fā)洞與接收洞之間的標(biāo)準(zhǔn)斷面為采用TBM 機械開挖的單洞單線圓形隧道，始發(fā)洞長15m，接收洞長5m，始發(fā)洞前2m 二襯采取現(xiàn)澆500mm 厚的C45、P12混凝土，其余襯砌米用預(yù)制管片。區(qū)間下穿杭鞍高架橋，杭鞍高架橋采用樁基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)評定等級為2 類，相鄰墩臺間不均勻沉降差不應(yīng)超過0.1%，爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)選為V≤1.5cm/s根據(jù)勘察資料，沿線地下管線極為密集，研究區(qū)間為左線及右線在杭鞍高架路下穿行，隧道軌面埋深約339m。

2 數(shù)值計算模擬

2.1 模型的建立

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗和理論，考慮相關(guān)模型尺寸效應(yīng)：模型中隧道到邊緣的左、 右計算邊界需要取到 3D ～ 5D 左右這樣起其遠邊界處應(yīng)能認(rèn)為不受開挖影響，否則，模型尺寸過小會使計算結(jié)果不準(zhǔn)確[5]。模型中盾構(gòu)隧道直徑取6m，管片厚度取0.3m，盾構(gòu)管片長1.5m，模型的幾何尺寸是 90m×50 m× 50 m 的圍巖，其相應(yīng)的計算模型如下圖1所示。

圖1 整體數(shù)值模型圖

2.2 模型參數(shù)選擇

對于模型土層，機構(gòu)采用各向同性摩爾庫倫彈塑性模型，本構(gòu)模型采用的是彈性模型。模型中管片、土層、橋梁、管片注漿是實體單元，在建立盾殼、暗渠管道模塊中，為了能使模型結(jié)構(gòu)耦合便于計算，則采用板單元進行模擬[6-9]。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘查和數(shù)值模擬經(jīng)驗，選取的模型參數(shù)表如下表1：

表1 模型巖土介質(zhì)力學(xué)參數(shù)表

2.3 模擬方法

數(shù)值模擬中，TBM 采用分段掘進開挖，并且左線先行開挖，開挖結(jié)束后然后進行右線開挖。模擬施工過程以兩個管片3m 為一個施工步驟，先進行左線開挖后進行右線開挖。左右線一共是36 個施工步驟，每個施工步驟是一個循環(huán)開挖的過程。并且施加不同的掘進壓力120kN/m2、240kN/m2、360kN/m2、480kN/m2和600kN/m2用以進行敏感性分析。

3 可靠性分析

現(xiàn)將工程實際監(jiān)控數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進行對比分析，如圖1所示，實際監(jiān)控數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬計算數(shù)據(jù)變化趨勢一致，沉降值差別不大，該沉降曲線均是一個沉降槽，但是因為在實際工程中會有各種偶然因素會對沉降數(shù)值造成影響，所以現(xiàn)場實際沉降均比模擬數(shù)值沉降要大，但是均在安全允許值范圍內(nèi)，誤差值最大為10.7%。由此說明，用數(shù)值模擬的方法進行TBM 下穿構(gòu)筑物的分析計算是合理的。

圖2 地表最終沉降曲線圖

4 橋臺豎向位移分析

橋臺和橋墩的三維豎向位移云圖如下圖3所示，橋板豎向位移隨著橋臺位置的變化曲線如下圖3所示。

圖3 橋梁三維豎向位移云圖

從圖3可以看出，橋梁的橋臺豎向位移曲線大致是呈W 字母的波浪形，并且位移數(shù)值都比較小，方向都是向下。橋臺出現(xiàn)的最大位移值出現(xiàn)在中間橋墩偏右位置處，為3.49mm，最小值豎向則出現(xiàn)在橋梁最左側(cè)附件，為1.03mm，最大值比最小值大238.8%。并且從位移云圖可以看出，橋臺后端的豎向位移大于前段位移，分析可能是因為TBM 隧道開挖方向是從橋梁后端指向前端的方向，后端先行開挖后隧道周圍圍巖會發(fā)生擾動并發(fā)生應(yīng)力重分布，繼續(xù)往前進行開挖會持續(xù)對后端圍巖持續(xù)造成擾動，并且后端圍巖因為沉降不徹底還會發(fā)生隨時間的持續(xù)性沉降，進而造成橋臺后端豎向位移大于前端。所以在實際施工中應(yīng)格外注意橋臺緊挨隧道施工一側(cè)的位移監(jiān)測，防止安全隱患的發(fā)生。

圖4 橋板豎向位移曲線圖

從圖4中可以看出，不同掘進壓力下橋板累計豎向位移是不同的，但是變化曲線的趨勢是相同的，并且大致以30m 位置處呈對稱軸分部，大致呈W字母形狀。隨著距離橋板最邊緣距離的增加，豎向位移先增大后減少，最后到對稱軸處一直增加。對于不同的掘進壓力，可以明顯的看出隨著掘進壓力的增加，橋板累計豎向位移減少。掘進壓力為120kN/m2、240kN/m2、360kN/m2、480kN/m2 和600kN/m2 時的最大沉降量分別為3.53mm、3.49mm、3.39mm、3.32mm、3.25mm，分別減少1.14%、2.95%、2.11%、2.15%，減少速率先增大厚減少，綜合考慮240kN/m2 作為掘進壓力開挖隧道是性價比最高的選擇方案。

5 結(jié)論

本文以青島地鐵4 號線海鞍區(qū)間為背景，運用了數(shù)值模擬方法，得出以下結(jié)論：

（1）TBM 地鐵隧道開挖對既有立交橋的影響主要體現(xiàn)在：TBM 隧道開挖會對先行開挖的部分持續(xù)造成擾動，并且先開挖部分圍巖因為沉降不徹底還會發(fā)生隨時間的持續(xù)性沉降，進而造成橋臺先開挖部分豎向位移大于后開挖部分。

（2）對于不同的掘進壓力，隨著掘進壓力的增加，立交橋橋板累計豎向位移減少。但是不同掘進壓力的豎向位移變化曲線趨勢是一致的。